(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子（２０）と、
前記半導体素子を内部に収納するケーシング（１０）と、
前記半導体素子の一方の面である第１面（２０ａ）側に配設され、前記半導体素子が発する熱を前記ケーシングの外部に放熱するヒートシンク（４０）と、
前記半導体素子の前記第１面とは反対側の第２面（２０ｂ）に接するように前記ケーシング内に充填され、前記ケーシング内で対流可能な絶縁性流体（５０）と、を備え、
前記絶縁性流体には、前記半導体素子から受けた熱を相変化に伴う潜熱として蓄熱する潜熱蓄熱材（５６）を封入したマイクロカプセル（５５）が分散されており、
前記絶縁性流体を前記ケーシング内で強制的に対流させる強制対流手段（８１、８２）を備え、
前記絶縁性流体は、電気流体力学現象を示す流体であり、
前記強制対流手段は、前記ケーシング内に設けられ、前記絶縁性流体に電圧を印加して前記電気流体力学現象により前記絶縁性流体を流動させる一対の電極（８１、８２）であり、
さらに、前記ケーシング内に配設されており、絶縁体からなる絶縁基板（３１）と、前記絶縁基板の上に形成され、前記半導体素子が電気的に接続されている導体パターン（３２）とにより構成され、前記半導体素子（２０）が実装された回路基板（３０）を備え、
前記一対の電極は、前記回路基板の上に配設されており、一方の前記電極（８１）が前記半導体素子の前記第２面に電気的に接続され、他方の前記電極（８２）が前記導体パターンに電気的に接続されることにより、前記半導体素子の両面に電圧が印加された場合に一対の前記電極の間に電位差が発生するようになっていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
一方の前記電極（８１）は、針状電極であり、他方の前記電極（８２）は、環状電極であり、
前記針状電極は前記環状電極の中心を指すような向きで前記環状電極に対して対向配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
一対の前記電極により形成される前記絶縁性流体の流れは、前記半導体素子の前記第２面に接する前記絶縁性流体が入れ替わるように流れることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記絶縁性流体には、更に、絶縁性を有し前記絶縁性流体よりも熱伝導率が高い高熱伝導フィラー（５０ａ）が添加されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記絶縁性流体の有する熱を前記ケーシングの外部に放熱する放熱手段（６０）を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記半導体素子の前記第２面から前記絶縁性流体の内部に突設され、前記半導体素子から前記潜熱蓄熱材への伝熱を促進する伝熱促進手段（７０）を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記絶縁性流体の前記半導体素子と接する側とは反対側の面を全域に亘って覆い、前記絶縁性流体を前記ケーシングの内部に封止するゲル状封止部材（５１）を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項８】
前記ヒートシンクは第１ヒートシンク（４０）であり、
前記半導体素子の前記第２面側に配設され、前記半導体素子が発する熱を前記第２面からも前記ケーシングの外部に放熱する第２ヒートシンク（４１）を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１つに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、潜熱蓄熱材を用いた半導体素子の冷却構造を備える半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術として、例えば下記特許文献１に開示された半導体素子の冷却構造を備えた半導体装置がある。この半導体装置は、半導体素子と、半導体素子が搭載されるヒートシンクと、半導体素子に対してヒートシンクの反対側に位置するように半導体素子に取付けられた潜熱蓄熱材を含む蓄熱部材とを備えており、蓄熱部材はケース内に潜熱蓄熱材を充填して構成されている。このような構成により、半導体素子の発熱量が短時間で急激に増大した場合には、蓄熱部材の潜熱蓄熱材が吸熱して半導体素子の温度上昇を抑制するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１９３０１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術の半導体装置では、半導体素子の発熱量が短時間で急激に増大した場合に、潜熱蓄熱材への蓄熱を効率的に行うことができないという問題がある。これは、潜熱蓄熱材は比較的熱伝導性が低いため、半導体素子の発した熱はケース内における半導体素子近傍の潜熱蓄熱材には伝わるものの、半導体素子近傍の潜熱蓄熱材が熱抵抗となって潜熱蓄熱材全体には伝わり難いためである。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、半導体素子の発熱量が短時間で急激に増大した場合に、半導体素子が発した熱の潜熱蓄熱材への蓄熱を効率的に行うことが可能な半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体素子（２０）と、半導体素子を内部に収納するケーシング（１０）と、半導体素子の一方の面である第１面（２０ａ）側に配設され、半導体素子が発する熱をケーシングの外部に放熱するヒートシンク（４０）と、半導体素子の第１面とは反対側の第２面（２０ｂ）に接するようにケーシング内に充填され、ケーシング内で対流可能な絶縁性流体（５０）と、を備え、絶縁性流体には、半導体素子から受けた熱を相変化に伴う潜熱として蓄熱する潜熱蓄熱材（５６）を封入したマイクロカプセル（５５）が分散されており、絶縁性流体をケーシング内で強制的に対流させる強制対流手段（８１、８２）を備え、絶縁性流体は、電気流体力学現象を示す流体であり、強制対流手段は、ケーシング内に設けられ、絶縁性流体に電圧を印加して電気流体力学現象により絶縁性流体を流動させる一対の電極（８１、８２）であり、さらに、ケーシング内に配設されており、絶縁体からなる絶縁基板（３１）と、絶縁基板の上に形成され、半導体素子が電気的に接続されている導体パターン（３２）とにより構成され、半導体素子（２０）が実装された回路基板（３０）を備え、一対の電極は、回路基板の上に配設されており、一方の電極（８１）が半導体素子の第２面に電気的に接続され、他方の電極（８２）が導体パターンに電気的に接続されることにより、半導体素子の両面に電圧が印加された場合に一対の電極の間に電位差が発生するようになっていることを特徴としている。
【０００７】
これによると、半導体素子（２０）の定常的な冷却はヒートシンク（４０）によって行い、半導体素子の発熱量が短時間で急激に増大した場合には、絶縁性流体（５０）中のマイクロカプセル（５５）に封入された潜熱蓄熱材（５６）が相変化して吸熱し、半導体素子の温度上昇を抑制することができる。マイクロカプセルは対流可能な絶縁性流体中に分散されているので、ケーシング内での絶縁性流体の対流に伴って、既に潜熱蓄熱を行った潜熱蓄熱材を封入したマイクロカプセルを半導体素子の第２面の近傍から遠ざけるとともに、未だ潜熱蓄熱を行っていない潜熱蓄熱材を封入したマイクロカプセルを半導体素子の第２面の近傍に供給することができる。このように、半導体素子の第２面の近傍において潜熱蓄熱材を封入したマイクロカプセルを入れ替えることにより、既に潜熱蓄熱を行った潜熱蓄熱材を封入したマイクロカプセルが熱抵抗となることを抑制することができる。したがって、半導体素子の発熱量が短時間で急激に増大した場合に、半導体素子が発した熱の潜熱蓄熱材への蓄熱を効率的に行うことができる。
これによると、強制対流手段（８１、８２）によって絶縁性流体をケーシング内で強制的に対流させることにより、半導体素子の第２面の近傍において潜熱蓄熱材を封入したマイクロカプセルを積極的に入れ替えることができる。したがって、既に潜熱蓄熱を行った潜熱蓄熱材を封入したマイクロカプセルが熱抵抗となることを確実に抑制することが可能であり、半導体素子の発熱量が短時間で急激に増大した場合に、半導体素子が発した熱の潜熱蓄熱材への蓄熱を、一層効率的に行うことができる。これによると、一対の電極（８１、８２）の間に電圧を印加するだけで、電気流体力学現象により、絶縁性流体をケーシング内で容易に強制的に対流させることができる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明では、一方の前記電極（８１）は、針状電極であり、他方の電極（８２）は、環状電極であり、針状電極は環状電極の中心を指すような向きで環状電極に対して対向配置されていることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明では、一対の電極により形成される絶縁性流体の流れは、半導体素子の第２面に接する絶縁性流体が入れ替わるように流れることを特徴としている。
【００１０】
ここで、電気流体力学（Ｅｌｅｃｔｒｏｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ、略してＥＨＤ）現象とは、例えば、「社団法人電気学会、電気学会技術報告（ＩＩ部）第５６号（昭和５２年６月）「ＥＨＤ調査専門委員会報告」ＥＨＤ調査専門委員会、木脇、他」に記載されているように、流体力学の法則に従って運動する流体の中に荷電粒子が含まれていて、静電界の法則に従う電界等をつくるとともに、電気力学の法則にも従うような運動をする場合の現象をいう。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明では、絶縁性流体には、更に、絶縁性を有し絶縁性流体よりも熱伝導率が高い高熱伝導フィラー（５０ａ）が添加されていることを特徴としている。これによると、半導体素子からの熱を受けた絶縁性流体は、絶縁性流体よりも熱伝導率が高い高熱伝導フィラー（５０ａ）を介して、絶縁性流体中に分散されたマイクロカプセル内に封入された潜熱蓄熱材へ速やかに熱を伝えることができる。したがって、半導体素子が発した熱の潜熱蓄熱材への蓄熱を、より一層効率的に行うことができる。
【００１２】
また、請求項５に記載の発明では、絶縁性流体の有する熱をケーシングの外部に放熱する放熱手段（６０）を備えることを特徴としている。これによると、絶縁性流体中に分散されたマイクロカプセル内の潜熱蓄熱材の有する熱を、絶縁性流体を介して放熱手段（６０）で伝達し、放熱手段によってケーシングの外部に放熱することができる。したがって、マイクロカプセル内の潜熱蓄熱材を、吸熱時とは逆方向に相変化させて、吸熱能力を容易に回復することが可能である。
【００１３】
また、請求項６に記載の発明では、半導体素子の第２面から絶縁性流体の内部に突設され、半導体素子から絶縁性流体への伝熱を促進する伝熱促進手段（７０）を備えることを特徴としている。これによると、伝熱促進手段（７０）により伝熱面積を増大して、半導体素子から絶縁性流体中に分散されたマイクロカプセル内に封入された潜熱蓄熱材への伝熱を促進することができる。したがって、半導体素子が発した熱の潜熱蓄熱材への蓄熱を、更に効率的に行うことができる。
【００１４】
また、請求項７に記載の発明では、絶縁性流体の半導体素子と接する側とは反対側の面を全域に亘って覆い、絶縁性流体をケーシングの内部に封止するゲル状封止部材（５１）を備えることを特徴としている。これによると、ゲル状封止部材（５１）により、絶縁性流体の温度変化に伴う体積変化や潜熱蓄熱材の相変化に伴う体積変化に対応しつつ、絶縁性流体をケーシング内に容易に保持することができる。
【００１５】
また、請求項８に記載の発明では、ヒートシンクは第１ヒートシンク（４０）であり、半導体素子の第２面側に配設され、半導体素子が発する熱を第２面からもケーシングの外部に放熱する第２ヒートシンク（４１）を備えることを特徴としている。このように、半導体素子を第１、第２ヒートシンク（４０、４１）により両面側から冷却する半導体装置においても、絶縁性流体を対流させて、半導体素子の第２面の近傍において潜熱蓄熱材を封入したマイクロカプセルを入れ替えることにより、既に潜熱蓄熱を行った潜熱蓄熱材を封入したマイクロカプセルが熱抵抗となることを抑制することができる。このようにして、半導体素子の発熱量が短時間で急激に増大した場合に、半導体素子が発した熱の潜熱蓄熱材への蓄熱を効率的に行うことができる。
【００１６】
なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明を適用した第１の実施形態における半導体装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】半導体装置の要部構成を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明を適用した第２の実施形態における半導体装置の概略構成を示す断面図である。
【図４】本発明を適用した第３の実施形態における半導体装置の概略構成を示す断面図である。
【図５】本発明を適用した第４の実施形態における半導体装置の概略構成を示す断面図である。
【図６】本発明を適用した第５の実施形態における半導体装置の概略構成を示す断面図である。
【図７】本発明を適用した他の実施形態における半導体装置の概略構成を示す断面図である。
【図８】本発明を適用した他の実施形態における半導体装置の概略構成を示す断面図である。
【図９】本発明を適用した他の実施形態における半導体装置の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
【００１９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明を適用した第１の実施形態における半導体装置１の概略構成を示す断面図であり、図２は、半導体装置１の要部である絶縁性流体５０中の概略構成を模式的に示す断面図である。本実施形態の半導体装置１は、例えば車両に搭載される制御機器の制御回路を構成するものであって、例えばスイッチング回路を構成するＩＧＢＴ素子（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ素子）やダイオード素子等の半導体素子２０を備えるものである。図１に示す半導体装置１は、２つのＩＧＢＴ素子を並列接続、もしくは、ＩＧＢＴ素子とダイオードとを並列接続した装置を例示している。
【００２０】
図１に示すように、半導体装置１は、半導体素子２０を内部に収容するケーシングである例えば樹脂製のケース１０を備えている。ケース１０は、比較的高さが低い（図示上下方向の寸法が比較的小さい）略角筒形状をなしており、ケース１０の図示下方開口部を塞ぐように、金属製で（例えば銅材もしくはアルミニウム材からなる）平板状のヒートシンク４０が配設されている。
【００２１】
半導体素子２０は回路基板３０に実装されている。回路基板３０は、例えば絶縁体（例えばセラミック）からなる絶縁基板３１と、絶縁基板３１の図示上面に形成された例えば銅箔もしくは導電ペースト焼成体からなる導体パターン３２とにより構成されている。半導体素子２０は、下面２０ａ（本発明の第１面に相当）が導体パターン３２に半田付け等により電気的に接続されている。
【００２２】
このように半導体素子２０を実装した回路基板３０は、回路基板３０の非実装面が全域に亘ってヒートシンク４０に接触するようにケース１０内に配設されている。すなわち、ヒートシンク４０は、半導体素子２０の一方の面である下面２０ａ側に配設されており、半導体素子２０が発する熱を回路基板３０を介して受熱し、ケース１０の外部へ放熱するようになっている。
【００２３】
ケース１０には、電極端子を有する金属製の（例えば銅材もしくはアルミニウム材からなる）リードフレーム１１がインサート成形されている。リードフレーム１１のケース１０内方側の端子部と半導体素子２０の上面２０ｂとの間、および、リードフレーム１１のケース１０内方側の端子部と回路基板３０の導体パターン３２との間等は、ボンディングワイヤ１２で電気的に接続されて、半導体装置１内の回路が構成されている。リードフレーム１１の一部はケース１０の外方に突出して外部接続端子１１ａとなっている。
【００２４】
ケース１０の内部には、電気絶縁性を有する絶縁性流体５０が充填されている。図１から明らかなように、絶縁性流体５０は、半導体素子２０が実装された回路基板３０の上面を全域に亘って覆い、半導体素子２０の下面２０ａとは反対側の上面２０ｂ（本発明の第２面に相当）に直接接するようにケース１０内に充填されている。なお、絶縁性流体５０は、ボンディングワイヤ１２を含むケース１０内の回路構成部を全て埋没するように（浸漬するように）充填されている。
【００２５】
本実施形態の絶縁性流体５０は、電気流体力学現象（ＥＨＤ現象）を示す所謂ＥＨＤ流体からなる。絶縁性流体５０には、例えば、フロリナート、ドデカン２酸ｎブチル、キシレン、シリコーンオイル等を採用することができる。
【００２６】
ケース１０内の回路基板３０上には、対をなす針状電極８１と環状電極８２とが配設されている。図１に示すように、針状電極８１は、環状電極８２の中心を指すような向きで、環状電極８２に対して対向配置されている。
【００２７】
両電極８１、８２は、例えば金属製であり、針状電極８１は、半導体素子２０の上面に電気的に接続され、環状電極８２は、導体パターン３２に電気的に接続されている。これにより、半導体素子２０の両面に電圧が印加された場合には、針状電極８１と環状電極８２との間に電位差が発生するようになっている。
【００２８】
針状電極８１と環状電極８２と間に電位差がある場合には、両電極８１、８２間において絶縁性流体５０に電圧が印加され、ＥＨＤ流体からなる絶縁性流体５０はＥＨＤ現象により比較的流速が速い所謂ジェット流を形成する。これにより、ケース１０内において、絶縁性流体５０が強制的に対流させられるようになっている。
【００２９】
図１では、両電極８１、８２により形成される絶縁性流体５０の流れは、半導体素子２０の上面２０ｂに沿うように示しているが、半導体素子２０の上面２０ｂに接する絶縁性流体５０が入れ替わるように流れるものであればよい。例えば、図示上方から下方に向かって半導体素子２０の上面２０ｂに絶縁性流体５０が衝突するように流れるものであれば、半導体素子２０の上面２０ｂに接する絶縁性流体５０が確実に入れ替わり好ましい。
【００３０】
絶縁性流体５０に電圧を印加して電気流体力学現象により絶縁性流体５０を流動させる一対の電極である針状電極８１および環状電極８２は、本実施形態における強制対流手段に相当する。
【００３１】
なお、絶縁性流体５０に電圧を印加する電極は、針状電極８１と環状電極８２との組み合わせに限定されず、絶縁性流体５０に電圧を印加できるものであれば、他の形状をなしていてもかまわない。また、絶縁性流体５０に電圧を印加できるものであれば、両電極８１、８２の電気的接続部位も上述した位置に限定されるものではない。
【００３２】
また、絶縁性流体５０に電圧を印加する電極は、少なくとも一対の電極を備えていればよく、複数対の電極であってもよい。また、陽極をなす電極の数と陰極をなす電極の数が異なるものであってもかまわない。
【００３３】
図１では図示を省略しているが、図２に示すように、絶縁性流体５０中には、マイクロカプセル５５が分散されている。マイクロカプセル５５は、例えば、ポリアミド樹脂等の樹脂製であり、電気絶縁性を有するとともに、略球形をなしている。
【００３４】
マイクロカプセル５５の内部には、半導体素子２０から受けた熱を固相から液相への相変化に伴う潜熱として蓄熱することが可能な潜熱蓄熱材５６が封入されている。潜熱蓄熱材５６としては、例えば、エリスリトール、キシリトール、パラフィン等を採用することができる。
【００３５】
図１に示すように、ケース１０の内部には、絶縁性流体５０の上面、すなわち、絶縁性流体５０の半導体素子２０と接する側とは反対側の面を全域に亘って覆い、絶縁性流体５０をケース１０の内部に封止する可撓性を有するゲル状の封止部材５１（本発明のゲル状封止部材に相当）が層状に設けられている。封止部材５１には、例えばシリコーンゲルを用いることができる。
【００３６】
上述の構成において、半導体素子２０が作動に伴って定常的な発熱をしているときには、半導体素子２０が発した熱は主にヒートシンク４０によりケース１０外部に放熱され、半導体素子２０が冷却される。半導体素子２０の発熱量が短時間で急激に増大した場合には、ケース１０内で強制的に対流させられている絶縁性流体５０中に分散されたマイクロカプセル５５内の潜熱蓄熱材５６が固相から液相へ相変化して吸熱し、半導体素子２０の温度上昇を抑制する。
【００３７】
上述の構成の半導体装置１によれば、ケース１０内のＥＨＤ流体からなる絶縁性流体５０には、半導体素子２０から受けた熱を固相から液相への相変化に伴う潜熱として蓄熱する潜熱蓄熱材５６を封入したマイクロカプセル５５が分散されている。そして、針状電極８１と環状電極８２との間への電圧印加によって生じるＥＨＤ現象により絶縁性流体５０は強制的に対流させられる。この絶縁性流体５０の強制的な対流に伴って、既に潜熱蓄熱を行った潜熱蓄熱材５６を封入したマイクロカプセル５５を半導体素子２０の上面２０ｂ近傍から遠ざけるとともに、未だ潜熱蓄熱を行っていない潜熱蓄熱材５６を封入したマイクロカプセル５５を半導体素子２０の上面２０ｂ近傍に供給することができる。
【００３８】
このように、半導体素子２０の上面２０ｂ近傍において潜熱蓄熱材５６を封入したマイクロカプセル５５を積極的に入れ替えることにより、既に潜熱蓄熱を行った潜熱蓄熱材５６を封入したマイクロカプセル５６が熱抵抗となることを抑制することができる。したがって、半導体素子２０の発熱量が短時間で急激に増大した場合に、半導体素子２０が発した熱の潜熱蓄熱材５６への蓄熱を効率的に行うことができる。
【００３９】
また、絶縁性流体５０の上面の全域をゲル状の封止部材５１で覆って、絶縁性流体５０をケース１０内に封止している。したがって、封止部材５１により絶縁性流体５０をケース１０内に確実に保持することができる。また、封止部材５１はゲル状であるので、絶縁性流体５０の温度変化に伴う体積変化やマイクロカプセル５５内の潜熱蓄熱材５６の相変化に伴う体積変化があっても、撓んでこれらの体積変化に対応することが可能であり、絶縁性流体５０をケース１０内に安定して保持することができる。
【００４０】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について図３に基づいて説明する。
【００４１】
本第２の実施形態は、前述の第１の実施形態と比較して、絶縁性流体５０の有する熱をケース１０の外部へ放熱する放熱手段を追加した点が異なる。なお、第１の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。
【００４２】
図３に示すように、本実施形態の半導体装置は、放熱手段である放熱器６０を備えている。放熱器６０は、図示上下方向に延びるヒートパイプ６１とヒートパイプ６１に熱的に接合されたフィン６２とを有している。ヒートパイプ６１は、例えば両端を閉塞された銅製のパイプ部材の内部に作動液としての水を封入して構成されている。
【００４３】
図３では図示を省略しているが、第１の実施形態と同様に、絶縁性流体５０中には、潜熱蓄熱材５６を封入したマイクロカプセル５５が分散されている。
【００４４】
ヒートパイプ６１の図示下端部はマイクロカプセル５５（図２参照）が分散された絶縁性流体５０内に位置し、図示上端部は封止部材５１の上面よりも上方に位置している。ヒートパイプ５１の絶縁性流体５０内に位置する部分および封止部材５１よりも上方に突出している部分には、例えば銅製でプレート状のフィン６２が接合されている。
【００４５】
本実施形態の半導体装置によれば、絶縁性流体５０の有する熱をケース１０の外部へ放熱する放熱器６０を備えているので、マイクロカプセル５５内の潜熱蓄熱材５６（図２参照）が有する熱を、絶縁性流体５０およびマイクロカプセル５５を介して（放熱器６０に触れたマイクロカプセル５５に関しては主にマイクロカプセル５５を介して）放熱器６０へ伝達し、ケース１０の外部に放熱することができる。したがって、マイクロカプセル５５内の潜熱蓄熱材５６を、吸熱時とは逆に液相から固相に相変化させて、吸熱能力を容易に回復することができる。
【００４６】
また、放熱器６０は、絶縁性流体５０内に位置する部分および封止部材５１よりも上方に突出している部分のそれぞれにフィン６２を有しているので、絶縁性流体５０からの吸熱および空気への放熱を効率よく行うことができる。
【００４７】
また、絶縁性流体５０は常時流動性を有するものであるが、放熱器６０は封止部材５１に支持されているので、位置が大きく変位することはない。放熱器６０は、封止部材５１のみに支持されているものに限定されず、ケース１０に取付けられて支持されるものであってもよい。また、放熱手段の構成は、ヒートパイプ６１を有する放熱器６０の構成に限定されず、絶縁性流体５０が有する熱（具体的には、潜熱蓄熱材５６が有する熱）をケース１０の外部へ放熱可能なものであればよい。
【００４８】
なお、本実施形態の半導体装置では、半導体素子２０の上面２０ｂに接する絶縁性流体５０が確実に入れ替わるとともに、放熱器６０のフィン６２に接する絶縁性流体５０が確実に入れ替わるように、ケース１０内において絶縁性流体５０を対流させることが好ましい。
【００４９】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について図４に基づいて説明する。
【００５０】
本第３の実施形態は、前述の第１の実施形態と比較して、半導体素子２０から潜熱蓄熱材５６への伝熱を促進する伝熱促進手段を追加した点が異なる。なお、第１の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。
【００５１】
図４に示すように、本実施形態の半導体装置は、伝熱促進手段である伝熱フィン７０を備えている。伝熱フィン７０は、例えば、銅材やアルミニウム材からなり、半導体素子２０の上面２０ｂに沿って延びる平板部から図示上方に向かって複数の壁部が立設され、断面形状が櫛歯状をなしている。伝熱フィン７０は、上述の平板部が半導体素子２０の上面２０ｂの一部に、例えば半田付け等により接合されている。
【００５２】
図４では図示を省略しているが、第１の実施形態と同様に、絶縁性流体５０中には、潜熱蓄熱材５６を封入したマイクロカプセル５５が分散されている。
【００５３】
本実施形態の半導体装置によれば、半導体素子２０の上面２０ｂから絶縁性流体５０の内部に突設された伝熱フィン７０を備えており、伝熱フィン７０と絶縁性流体５０との接触面積は、半導体素子２０の上面２０ｂと伝熱フィン７０との接合面積よりも大きくなっている。すなわち、伝熱フィン７０を設けることにより半導体素子２０から絶縁性流体５０への伝熱面積を増大して、半導体素子２０から絶縁性流体５０に分散されたマイクロカプセル５５内の潜熱蓄熱材５６（図２参照）への伝熱を促進可能としている。したがって、半導体素子２０が発した熱をの潜熱蓄熱材５６への蓄熱を一層効率的に行うことができる。
【００５４】
伝熱促進手段は、上記構成の伝熱フィン７０に限定されず、絶縁性流体５０よりも熱伝導率が高い高熱伝導材料で形成され、絶縁性流体５０との接触面積を増大できるものであればよい。例えば、複数の針状部が絶縁性流体５０の内部に突設された金属製の伝熱フィンであってもよい。
【００５５】
なお、本実施形態の半導体装置では、半導体素子２０の上面２０ｂに接する絶縁性流体５０が確実に入れ替わるとともに、伝熱フィン７０に接する絶縁性流体５０が確実に入れ替わるように、ケース１０内において絶縁性流体５０を対流させることが好ましい。
【００５６】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について図５に基づいて説明する。
【００５７】
本第４の実施形態は、前述の第１の実施形態と比較して、絶縁性流体５０に絶縁性の高熱伝導フィラーが添加されている点が異なる。なお、第１の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。
【００５８】
図５に示すように、本実施形態の半導体装置は、絶縁性流体５０中に、電気絶縁性を有し絶縁性流体５０よりも熱伝導率が高い高熱伝導フィラー５０ａが添加されている。高熱伝導フィラー５０ａは、例えば、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、シリカ等からなるセラミックフィラーであり、針状（細線状）や円盤状をなしているものが好ましい。
【００５９】
図５では、高熱伝導フィラー５０ａを解り易い様に比較的大きく図示しているが、例えば、直径が約１μｍ、長さが約１００μｍの比較的高アスペクト比のセラミックフィラーを採用することができる。高熱伝導フィラー５０ａは、絶縁性流体５０中にほぼ均一に分散していることが好ましい。
【００６０】
図５では図示を省略しているが、第１の実施形態と同様に、絶縁性流体５０中には、潜熱蓄熱材５６を封入したマイクロカプセル５５も分散されている。
【００６１】
本実施形態の半導体装置によれば、半導体素子２０から受熱した絶縁性流体５０は、絶縁性流体５０よりも熱伝導率が高い高熱伝導フィラー５０ａを介して、絶縁性流体５０中に分散されたマイクロカプセル５５内の潜熱蓄熱材５６へ速やかに熱を伝えることができる。したがって、半導体素子２０が発した熱の潜熱蓄熱材５６への蓄熱を、より効率的に行うことができる。また、高熱伝導フィラー５０ａは絶縁性を有しているので、高アスペクト比のフィラーを採用したとしても、半導体装置の回路が短絡することはない。
【００６２】
（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態について図６に基づいて説明する。
【００６３】
本第５の実施形態は、本発明を両面冷却タイプの半導体装置に適用した例である。なお、第１の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。
【００６４】
図６に示すように、本実施形態の半導体装置は、半導体素子２０の下面２０ａ側に配置したヒートシンク４０（第１ヒートシンクに相当）と、半導体素子２０の上面２０ｂ側に配置したヒートシンク４１（第２ヒートシンクに相当）とを備えている。
【００６５】
ヒートシンク４０、４１は、いずれも例えば銅製の平板状の部材であり、ヒートシンク４０は、半導体素子２０の下面２０ａに直接接触している。また、ヒートシンク４１は、例えば銅製のスペーサ４２を介して半導体素子２０の上面２０ｂに接触している。スペーサ４２は、半導体素子２０の上面２０ｂの一部に直接接触している。
【００６６】
図６から明らかなように、本実施形態の半導体装置は、第１の実施形態で説明した回路基板３０を有しておらず、ヒートシンク４０、４１およびスペーサ４２が、導体パターンと同等の機能を有している。したがって、ヒートシンク４０、４１には、外部接続端子１１ａが電気的に接続している。
【００６７】
また、本実施形態では、針状電極８１はヒートシンク４１に電気的に接続され、環状電極８２はヒートシンク４０の電気的に接続されて、絶縁性流体５０の電圧を印加するようになっている。
【００６８】
なお、本実施形態においても、絶縁性流体５０に電圧を印加する電極は、針状電極８１と環状電極８２との組み合わせに限定されず、絶縁性流体５０に電圧を印加できるものであれば、他の形状をなしていてもかまわない。また、絶縁性流体５０に電圧を印加できるものであれば、両電極８１、８２の電気的接続部位も上述した位置に限定されるものではない。
【００６９】
また、絶縁性流体５０に電圧を印加する電極は、少なくとも一対の電極を備えていればよく、複数対の電極であってもよい。また、陽極をなす電極の数と陰極をなす電極の数が異なるものであってもかまわない。
【００７０】
本実施形態では、ケース１０は、半導体素子２０を挟み込んだ一対のヒートシンク４０、４１の外周縁部の間を全周に亘ってシールするようにモールドされている。上述した外部接続端子１１ａは、このケース１０にインサート成形されている。そして、一対のヒートシンク４０、４１、およびケース１０によって取り囲まれた空間に、絶縁性流体５０が充填されている。
【００７１】
絶縁性流体５０を上記内部空間に充填するために、例えば、ケース１０を形成する工程は、絶縁性流体充填経路を有する状態に成形するステップと、充填経路を閉塞するステップとを含む、複数のステップを有している。
【００７２】
なお、本実施形態の半導体装置は、ヒートシンク４０、４１を電気導通回路の一部として利用しているので、ヒートシンク４０、４１を外部から絶縁する必要がある。そこで、両ヒートシンク４０、４１の積層方向における外側面の全域を覆うように、絶縁性を有し熱伝導性に優れる、例えばセラミック材からなる絶縁板４３を配設している。
【００７３】
図６では図示を省略しているが、第１の実施形態と同様に、絶縁性流体５０中には、潜熱蓄熱材５６を封入したマイクロカプセル５５も分散されている。
【００７４】
本実施形態の半導体装置によれば、半導体素子２０の下面２０ａの全域に接触するヒートシンク４０と、半導体素子２０の上面２０ｂの一部にスペーサ４２を介して接触するヒートシンク４１とで、半導体素子２０の定常的な冷却を行い、半導体素子２０の発熱量が短時間で急激に増大した場合には、半導体素子２０の上面２０ｂに直接触れている絶縁性流体５０中に分散されたマイクロカプセル５５中の潜熱蓄熱材５６によって、半導体素子２０から速やかに吸熱することができる。
【００７５】
ケース１０内で絶縁性流体５０を対流させているので、半導体素子２０の上面２０ｂの近傍において潜熱蓄熱材５６を封入したマイクロカプセル５５を積極的に入れ替えることにより、既に潜熱蓄熱を行った潜熱蓄熱材５６を封入したマイクロカプセル５６が熱抵抗となることを抑制することができる。このようにして、両面冷却タイプの半導体装置においても、半導体素子２０の発熱量が短時間で急激に増大した場合には、半導体素子２０が発した熱の潜熱蓄熱材５６への蓄熱を効率的に行うことができる。
【００７６】
また、ケース１０内で絶縁性流体５０を対流させているので、既に潜熱蓄熱を行った潜熱蓄熱材５６を封入したマイクロカプセル５６をヒートシンク４０、４１に近づけて、あるいは衝突させて、マイクロカプセル５５内の潜熱蓄熱材５６の有する熱をケース１０の外部に放熱し、吸熱能力を回復することが可能である。
【００７７】
したがって、本実施形態の半導体装置では、半導体素子２０の上面２０ｂに接する絶縁性流体５０が確実に入れ替わるとともに、ヒートシンク４０、４１に接する絶縁性流体５０が確実に入れ替わるように、ケース１０内において絶縁性流体５０を対流させることが好ましい。
【００７８】
（他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。
【００７９】
上記第１〜第４の実施形態では、ゲル状の封止部材５１で絶縁性流体５０を封止していたが、これに限らず、例えば、図７に示すように、封止部材５１を廃止してもかまわない。半導体装置が、車両に搭載して用いられる等、振動が加わったり搭載姿勢が傾斜したりするような場合にはゲル状の封止部材５１で封止することが好ましいが、定置使用される場合には、封止部材５１を用いないことも可能である。また、車両搭載等においても、封止部材５１を用いず、ケース１０の上端開口をカバー部材等で閉塞して用いることも可能である。
【００８０】
また、上記各実施形態では、強制手段手段として針状電極８１および環状電極８２の一対の電極を設けていたが、これに限定されるものではない。例えば、図８に示すように、強制対流手段としてマイクロポンプ９０等のポンプ手段を採用してもかまわない。この場合には、絶縁性流体５０は、ＥＨＤ現象を示す流体でなくてもよい。
【００８１】
また、例えば、図９に示すように、強制対流手段を採用せず、絶縁性流体５０の昇温に伴う密度低下や、潜熱蓄熱材５６の固相から液相への相変化に伴う密度低下を利用して、絶縁性流体５０を自然対流させるものであってもよい。この場合にも、絶縁性流体５０は、ＥＨＤ現象を示す流体でなくてもよい。
【００８２】
なお、図７〜図９に例示した半導体装置においても、絶縁性流体５０中には、図示を省略した潜熱蓄熱材５６を封入したマイクロカプセル５５が分散されていることはもちろんである。
【００８３】
また、図７〜図９に例示したゲル状の封止部材５１を用いない半導体装置のそれぞれに対して、第１の実施形態のゲル状封止部材、第２の実施形態の放熱手段、第３の実施形態の伝熱促進手段、第４の実施形態の高熱伝導フィラー、および、第５の実施形態の両面冷却構造のいずれか１つ、もしくは２つ以上を組み合わせて適用するものであってもかまわない。
【００８４】
また、上記各実施形態では、マイクロカプセル５５に封入された潜熱蓄熱材５６は、固相から液相に相変化して蓄熱するものであったが、液相から気相に相変化して蓄熱するものであってもよい。
【符号の説明】
【００８５】
１  半導体装置
１０  ケース（ケーシング）
２０  半導体素子
２０ａ  下面（半導体素子の第１面）
２０ｂ  上面（半導体素子の第２面）
４０  ヒートシンク（第１ヒートシンク）
４１  ヒートシンク（第２ヒートシンク）
５０  絶縁性流体
５０ａ  高熱伝導フィラー
５１  封止部材（ゲル状封止部材）
５５  マイクロカプセル
５６  潜熱蓄熱材
６０  放熱器（放熱手段）
７０  伝熱フィン（伝熱促進手段）
８１  針状電極（強制対流手段の一部）
８２  環状電極（強制対流手段の一部）
９０  マイクロポンプ（強制対流手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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